医化第十三章核酸化学

1、第 十二 章核酸化学核酸化学核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生物大是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。分子，携带和传递遗传信息。二、核酸的分类及分布二、核酸的分类及分布 98% 98%以上分布于细胞核，其余分布于以上分布于细胞核，其余分布于核外核外如线粒体。如线粒体。主要存在于主要存在于胞胞质，核内只含少质，核内只含少量量。(deoxyribonucleic acid, (deoxyribonucleic acid, DNA)DNA)(ribonucleic acid, RNA)(ribonucleic acid, RNA)脱氧核糖核酸脱

2、氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型的基因型(genotype)(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNADNA遗传信息的表达。遗传信息的表达。某些病毒某些病毒RNARNA也可作为遗传信息也可作为遗传信息的载体。的载体。第一节第一节核酸的分子组成核酸的分子组成The Chemical Component and Structure of Nucleic Acid核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷糖糖戊戊碱基碱基核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核酸的基本组成单位核酸的基本组成单位一、核苷酸的组成一、核苷酸的组成 1. 1.

3、元素组成元素组成C C、H H、O O、N N、P P（9 910%10%）2. 2. 分子组成分子组成 含氮碱基含氮碱基(base)(base)：嘌呤碱和嘧啶碱：嘌呤碱和嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)(ribose)：核糖和脱氧核糖：核糖和脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)(phosphate)（一）戊（一）戊 糖糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)HHHHHHHHH嘌呤嘌呤(purine) NNNHN1234567896-氨基嘌呤氨基嘌呤2-氨基氨

4、基-6-氧嘌呤氧嘌呤（二）碱（二）碱 基基腺嘌呤腺嘌呤( (A) )鸟嘌呤鸟嘌呤( (G) NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine) 2-氧氧 -4-氨基嘧啶氨基嘧啶NNHNH2O2 2，4-4-二氧嘧啶二氧嘧啶NHNHOO5-5-甲基尿嘧啶甲基尿嘧啶NHNHOOCH3尿嘧啶尿嘧啶( (U U) )胸腺嘧啶胸腺嘧啶( (T T) )胞嘧啶胞嘧啶( (C C) )RNARNA和和DNADNA组成组成A G C UA G C TD-核糖核糖D-2-脱氧核糖脱氧核糖磷酸磷酸磷酸磷酸胞质胞质胞核胞核主要碱基主要碱基戊糖戊糖磷酸磷酸部位部位RNADNA核苷：核苷：AR, GR, UR, CRA

5、R, GR, UR, CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCRdAR, dGR, dTR, dCR二、核苷酸的结构二、核苷酸的结构1. 1. 核苷和脱氧核苷（核苷和脱氧核苷（碱基碱基+ +戊糖戊糖）碱基和核糖（脱氧核糖）通过碱基和核糖（脱氧核糖）通过N-N-糖糖苷键苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。连接形成核苷（脱氧核苷）。1 119 91POOOHOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMPAMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMPdAMP, dGMP, dTMP, dCMP

6、 2. 2. 核苷酸和脱氧核苷酸（核苷酸和脱氧核苷酸（核苷核苷 + + 磷酸磷酸）核苷核苷（脱氧核苷）和磷酸以脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键连接连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）一磷酸。形成核苷酸（脱氧核苷酸）一磷酸。 u 磷酸通常连在戊糖的磷酸通常连在戊糖的第第5 5位碳原子位碳原子上上 含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质： NADNAD+ +、NADPNADP+ +、CoA-SHCoA-SH、FAD FAD 等都含有等都含有 AMPAMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMPNMP，NDPNDP，NTPNTPl 环化核苷酸环化核苷酸: cAMP: cAMP，cGMPcGMPNOC

7、H2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOHNADPNADP+ +NADNAD+ +第二节第二节 核酸的分子结构核酸的分子结构（一）（一） 核苷酸的连接核苷酸的连接 一、一、 3，5-磷酸二酯键和多聚核苷酸链磷酸二酯键和多聚核苷酸链l单核苷酸之间的连接键：单核苷酸之间的连接键：3 , 5 - -磷酸二酯键磷酸二酯键 l核酸链的二个游离末端核酸链的二个游离末端: : 5 磷酸基末端磷酸基末端 3 羟基末端羟基末端l书写方向：书写方向： 5 3 5

8、端端3 端端CGA3 3 , 5, 5 - -磷酸二酯键磷酸二酯键A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 目目 录录（一）一级结构（一）一级结构55端端3端端CGA二、二、DNA 的分子结构的分子结构由由dAMPdAMP、dGMPdGMP、dCMPdCMP、dTMPdTMP四种四种脱氧核苷酸通过脱氧核苷酸通过33，5-5-磷酸二磷酸二酯键酯键按一定顺序排列而成的按一定顺序排列而成的多聚多聚脱氧核苷酸链脱氧核苷酸链。即：即：DNADNA分子中脱氧核苷酸残基的分子中脱氧核苷酸残基的排列顺序，也称为

9、碱基序列排列顺序，也称为碱基序列（二）（二） DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构Francis Harry Compton Crick James Dewey Watson目目 录录1 1、DNA的碱基组成规律的碱基组成规律 Chargaff 规则规则u 不同物种的不同物种的DNADNA碱基组成不同碱基组成不同u 同一生物体的不同组织的同一生物体的不同组织的DNA的碱基的碱基 组成相同组成相同u A=T，G=C，因此，因此A+G=T+C2 2、 DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）目目 录录l反向平行，互补双链反向平行，互补双链，右

10、手螺旋，右手螺旋，l碱基在螺旋内侧，磷酸和脱氧核糖碱基在螺旋内侧，磷酸和脱氧核糖的骨架在外侧的骨架在外侧lA=TA=T，GCGC配对配对l直径直径2nm2nm，螺距，螺距3.4nm3.4nm，1010碱基对碱基对/ /圈、螺旋表面存在一个大沟和一个圈、螺旋表面存在一个大沟和一个小沟小沟l稳定双螺旋：氢键（横向）稳定双螺旋：氢键（横向） 碱基堆砌力（纵向）碱基堆砌力（纵向）超螺旋结构超螺旋结构 DNADNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNADN

11、A双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNADNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 （三）（三）DNADNA的三级结构的三级结构n 原核生物原核生物DNADNA的高级结构的高级结构nDNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，和蛋白质构成，其基本单位是其基本单位是 核小体核小体(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成DNA：约约200bp 组蛋白（组蛋白（histone,H）: H1 H2A，H2B H3 H4 真核生

12、物：真核生物： DNA分子多层次分子多层次压缩包装压缩包装三、三、RNA的种类和分子结构的种类和分子结构 四种四种核糖核苷酸核糖核苷酸通过通过3，5 - -磷酸二酯键磷酸二酯键连接而成的多聚连接而成的多聚核糖核苷酸链核糖核苷酸链 RNARNA一级结构一级结构 分子分子小小，结构，结构简单简单，常以，常以单链单链存在，可含有存在，可含有局部双链，局部双链，整个分子没有碱基互补等比关系。整个分子没有碱基互补等比关系。 主要分为三类：主要分为三类： mRNA、tRNA、rRNARNARNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA

13、核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和

14、胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA（一（一 ）信使）信使RNAu 线形单链分子线形单链分子u 含量少（占总含量少（占总RNA的的5% 左右）、寿命短、种类多左右）、寿命短、种类多u 作为蛋白质生物合成的

15、直接模板作为蛋白质生物合成的直接模板umRNA上存在上存在遗传密码遗传密码NN+NNOOCH3CH2O P O P OP O CH2BOOOPCH3OO CH2CH3OOOBOOOOOOmRNA的的5 帽子结构帽子结构m7GpppNm5 5 NH2* * 真核生物真核生物mRNA结构特点结构特点1.1. 5 5 末端有一个末端有一个帽子结构帽子结构： 7-7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤- -鸟苷三磷酸（鸟苷三磷酸（m7GpppN）2. 32. 3 末端有一个末端有一个多聚腺苷酸尾多聚腺苷酸尾(polyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A A尾。尾。 “帽子结构帽子结构” 和和Poly A的作用：的作用

16、： mRNA稳定性的维系稳定性的维系 引导引导mRNA由胞核转移到胞质由胞核转移到胞质 蛋白质生物合成时被起始因子识别蛋白质生物合成时被起始因子识别u遗传密码遗传密码mRNAmRNA分子上从分子上从5 5 至至3 3 方向，每方向，每3 3个核苷酸个核苷酸为一组，决定为一组，决定肽链上某一个氨基酸，称为肽链上某一个氨基酸，称为三联体密码三联体密码(triplet coden)。m7Gppp AUG GUG ACA UAA AAA An5 3 5 5 帽子结构帽子结构 密码子密码子 3 3 多聚多聚A A尾尾缬氨酸缬氨酸ValVal苏氨酸苏氨酸ThrThr* tRNA的一级结构特点的一级结构特点

17、单链分子单链分子含含 1020% 稀有碱基稀有碱基双氢尿嘧啶（双氢尿嘧啶（DHU) 假尿嘧啶（假尿嘧啶（ ） 3 末端为末端为 CCA-OH 5 末端大多数为末端大多数为G（二）转运（二）转运RNA的结构与功能的结构与功能n 功能：功能：选择性转运氨基酸和识别选择性转运氨基酸和识别mRNAmRNA密码子密码子n 占细胞占细胞RNARNA总量的总量的10%10%15% 15% n 一般由一般由74-9574-95个核苷酸组成个核苷酸组成 氨基酸接受臂：氨基酸接受臂：3/3/末端为末端为-CCA-OH，连接，连接氨基酸氨基酸 DHU环及其臂环及其臂 反密码环反密码环及其臂及其臂 （与（与mRNA的

18、密码子互补配对）的密码子互补配对）TC环及其臂环及其臂额外环额外环 （tRNA分类的依据）分类的依据）氨基酸接受氨基酸接受臂臂* * tRNA tRNA的二级结构的二级结构 三叶草形三叶草形额外环额外环* * tRNA tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L L形形* * t tRNARNA的功能的功能选择性搬运氨基选择性搬运氨基酸 到 核 糖 体 、 识 别酸 到 核 糖 体 、 识 别mRNAmRNA密码子。密码子。 含量最多（占总含量最多（占总RNA 的的80%以上）以上） 单链单链 含大量茎环结构含大量茎环结构（三）核蛋白体（三）核蛋白体RNA的结构与功能的结构与功能* rRNA的功能的

19、功能与与多种蛋白质结合，构成核糖体多种蛋白质结合，构成核糖体，作为，作为蛋白质生物合成的场所。蛋白质生物合成的场所。70S80S50S30S60S40S31 proteins23S RNA 2940个核苷酸个核苷酸5S RNA 120个核苷酸个核苷酸21 proteins16S RNA 1542个核苷酸个核苷酸49 proteins28S RNA 47184718个核苷酸个核苷酸5.8S RNA 160160个核苷酸个核苷酸5S RNA 120120个核苷酸个核苷酸33 proteins18S RNA 18741874个核苷酸个核苷酸原核原核真核真核大亚基大亚基小亚基小亚基大亚基大亚基小亚基小

20、亚基* rRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉降系数）核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第第 三三 节节目目 录录一、核酸的酸碱性质一、核酸的酸碱性质 具有较强酸性，具有较强酸性，pIpI较低较低二、核酸的紫外吸收二、核酸的紫外吸收 u 嘌呤、嘧啶环中均含有嘌呤、嘧啶环中均含有共轭双键共轭双键，对，对260nm260nm紫外紫外波长波长具有强烈吸收作用具有强烈吸收作用u 应用于核酸定性定量分析应用于核酸定性定量分析1. DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相当于相当于5

21、0 g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品: OD260/OD280 = 1.8RNA纯品纯品: OD260/OD280 = 2.0OD260的应用的应用目目 录录三、三、DNA的变性的变性(denaturation)定义定义：在某些理化因素作用下，核酸双链互补碱在某些理化因素作用下，核酸双链互补碱基对之间氢键断裂，双螺旋结构松散，变基对之间氢键断裂，双螺旋结构松散，变成单链的现象。成单链的现象。方法：方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、 酰胺以及某

22、些有机溶剂如乙醇、丙酮等。酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。目目 录录DNADNA变性的本质变性的本质 双链间氢键的断裂双链间氢键的断裂DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱增色效应：增色效应：DNA变性时其溶液变性时其溶液OD260增高的现象。增高的现象。目目 录录变性后其它理化性质变化：变性后其它理化性质变化：OD260增高（增色效应）、粘度下降、生物活性丧失等增高（增色效应）、粘度下降、生物活性丧失等解链曲线：解链曲线： 在 连 续 加 热在 连 续 加 热 D N AD N A 的 过 程 中 以 温 度 对的 过 程 中 以 温 度 对 A 2 6 0（absorbance，A，A260代表溶液在代表溶液在260nm处的吸光率）处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线值作图，所得的曲线称为解链曲线。目目 录录n解链曲线和解链温度解链曲线和解链温度解链温度解链温度： DNA变性解链达变性解链达50%（紫外光吸收值达到